专利名称：一种磁感应效应角度传感器的标定方法
技术领域：
本发明属于测试测量传感器技术领域，特别涉及磁感应效应角度传感器的标定。
背景技术：
随着工业自动化、汽车电动助力转向、汽车电子稳定控制的发展，角度传感器 的应用越来越多。而磁感应效应由于其非接触、良好的滞回特性、抗环境干扰等良好的 特性，基于磁感应效应的角度传感器具有很好的应用价值和实用前景，并且已经在汽车 上有相当的应用。磁感应效应角度传感器有多种形式，其基本组成如

图1所示。由外壳1、转动 输入齿轮2、1个或多个从动齿轮3、与从动齿轮固连的磁铁4、磁感应芯片5、单片机 6、电源模块7、总线接口芯片8组成。其中，磁感应芯片5与磁铁4成对出现，空间上 磁感应芯片位于磁铁下方。磁感应芯片5、单片机6、电源模块7、总线接口芯片8共同 组成传感器的硬件电路。多种形式是指传感器所采用的磁铁和磁感应芯片对的个数可以 是1个，也可以是多个；所采用的磁感应芯片可能含有温度传感器，也可能不含温度传 感器；所采用的总线接口芯片可能是针对不同的总线。常用的磁感应芯片有KMZ41、 TLE5010、TLE5011、TLE5012等，这些磁感应芯片均能在磁场作用下输出电压值，磁场 勻速旋转时，输出的电压值为正余弦曲线。磁感应效应角度传感器的基本原理如图2所示。转动输入齿轮转动时，带动从 动齿轮及与从动齿轮固连的磁铁转动，从而磁场方向发生变化，磁感应芯片能够检测到 磁场方向的变化，磁感应芯片的输出值给单片机，单片机通过内部程序运算处理能够计 算出输入齿轮的转动角度及转动角速度，并将此结果通过总线输出。在理想情况下，磁 场相对于芯片旋转360°的过程中，芯片输出的电压值为标准的正余弦曲线，通过正余弦 值计算反正切，可以得到360°内的角度值。作为传感器，精度是关键参量，磁感应效应角度传感器的精度受到多方面的影 响，提高角度传感器精度的方法一是提高加工制造精度，二是通过标定进行补偿修正。 而提高加工制造精度会增加生产成本，不利于产品的推广，所以在一定的加工精度的条 件下，通过标定进行补偿是一个常用的做法。所需标定的参数结合图3-5进行说明。由于批量生产过程中，磁铁强度有不 同，磁感应芯片安装位置有误差，磁感应芯片本身特性有偏差等等，实际磁场相对于芯 片旋转360°的过程中，芯片输出的电压值为非标准的正余弦曲线。标定的作用就是把非 标准的正余弦曲线通过修正转化成标准的正余弦曲线。所需要的修正参数包括磁感应芯 片输出值的偏移量，磁感应芯片输出值的峰值、磁感应芯片输出正余弦值的相位差、偏 移量的温度系数。所需要标定的磁感应芯片输出正余弦值的相位差如图3所示，是指正 余弦的相位差不是90°，需要计算出实际相位差和90°的差值。所需要标定的磁感应芯 片输出值的偏移量和峰值如图4所示，偏移量是指输出值的均值与纵轴的0位置的差，幅
5值是指输出值的最大值和最小值的差的一半。所需要标定的磁感应芯片输出正余弦值偏 移量的温度系数如图5所示，是指输出值的偏移量随温度的变化系数。标定时在较低温 度下得到一个偏移量，记为点P1，在较高温度下得到一个偏移量，记为P2，认为偏移量 随温度的变化为线性，据此得到偏移量随温度变化的系数。所需标定的参数较多，且标定过程较为复杂，具有良好实用价值的标定补偿算 法并不见于已有的专利发明及论文著作。2002年，Bosch公司在美国申请的专利US 6494784B1中通过3个测试点，能够对磁感应效应角度传感器磁感应芯片的输出值的偏移 量进行补偿，基本原理为通过圆周上的3个点计算圆心位置，该方法仅能得到偏移量， 而对磁感应芯片输出值的峰值、磁感应芯片输出值的相位差、偏移量的温度系数没有涉 及。磁感应芯片的制造商通常会给出单个磁感应芯片标定的计算公式，但是并没有完整 的对角度传感器的标定方法。比如磁感应芯片TLE5011的应用手册给出一种离散傅里叶 变换形式的标定用到的公式。在磁场转动360°的范围内，均勻取η个点，η为2m，m 为正整数，输出值中的余弦值记录为X(i)，正弦值记录为Y(i)，i表示第几个点，标定用 到的计算公式如下。输出值的余弦的偏移量Ox由下式得到/n
输出值的正弦的偏移量Oy由下式得到
(1)
Oy = [Y(I) +Y (2) +…+Y (i) + …+Y (η) ]/η(2)
下面4个式子用于计算幅值和相位差，其中DFT_X_r、DFT_X_i、DFT_Y_r、 Y_i为中间变量
DFT_X_r = [X(I) *ccs ( β 1)+X(2) *cos ( β 2)+...+X(i) *cos ( β i)+.. *cos(3n)]*2/n (3)
其中βi为磁铁转动的角度。
DFT_X_i = [X(I) *sin( β 1)+X(2) *sin( β 2)+...+X(i) *sin( β i)+.. *sin(3n)]*2/n (4)
DFT_Y_r = [Y(I) *cos( β 1)+Y(2) *cos( β 2)+...+Y(i) *cos( β i)+.. *cos(3n)]*2/n (5)
DFT_Y_i = [Y(I) *sin( β 1)+Y(2) *sin( β 2)+...+Y(i) *sin( β i)+.. *sin(3n)]*2/n (6)
余弦的幅值Ax由下式得到
^x = XlDFT X r2+DFT X 2
正弦的幅值Ay由下式得到
Ay=\DFT_Y_？·+DFT Y
正余弦值的相位差识由下式得到，其中内、办为输出值余弦和正弦与标准值的相 见图3
(7)
权利要求
1. 一种磁感应效应角度传感器的标定方法，该方法是待标定的磁感应效应角度传 感器在标定系统的配合下实现的，该标定系统由标定系统控制器、电机驱动器、电机组 成，标定系统控制器负责控制角度传感器通电、和角度传感器通讯以及控制电机转动； 标定系统控制器通过控制电机给出确定的转角输入并通过总线给出转动到位的信号，角 度传感器的单片机中进行数据的读取和计算，从而计算得到标定值；其特征在于，该方 法包括低温段标定过程和高温段标定过程，低温段和高温段标定过程各分为若干子标定 过程，子标定过程的个数是磁感应效应角度传感器中所采用的芯片的个数的2倍；每个 子标定过程含有η个标定测试点，n = 2m，m的取值范围为4-7;标定系统控制角度传感 器通电后等待tl时间，tl取值可取10-40s，等待tl时间的目的在于磁感应芯片通电后开 始温度上升梯度大，过一定时间tl后温度变化减缓，然后在该温度下依次对各磁感应芯 片进行低温段标定的子标定过程，每个芯片均进行磁感应芯片输入轴左转子标定过程和 磁感应芯片输入轴右转子标定过程；低温段标定完成后，等待到从通电算起t2时刻，t2 取值范围为90-180s，依次对各磁感应芯片进行高温段标定的子标定过程，每个芯片均进 行磁感应芯片输入轴左转子标定过程和磁感应芯片输入轴右转子标定过程；在每一个子标定过程中，计算出该子标定过程对应的标定参数，每一个子标定过程 包括对第一个芯片的第一个标定测试点进行标定，标定系统控制器先控制电机向此标 定测试点转动方向输入一个较大的转动角度，转动角度取30-100°，然后标定系统控制 器通过总线通讯发送转动到位指令，角度传感器检测到这个指令，进行相关的数据采集 及处理，并发送数据采集完毕指令；标定系统收到这个指令后，转动单位步长，到第二 个标定点，然后发送转动到位指令，角度传感器进行数据采集及处理，并发送数据采集 完毕指令，依此循环，直到完成所有标定测试点的标定；上述的子标定过程包括以下步骤在每一个子标定过程，角度传感器等待标定系统 的转动到位信号，如果接收到该信号，角度传感器中的单片机设置对应的磁感应芯片到 温度测量模式，然后单片机读取温度值，之后单片机设置对应的磁感应芯片到磁场测量 模式，然后读取磁场作用下磁感应芯片的输出的电压值，并进行相关量的累加和计算， 之后通过总线发送采集数据完成指令，再判断指令编号是否到了 n，如果到n，则从累加 和计算磁感应效应角度传感器最终标定参数，否则等待下一个转动到位指令； 所述累加和计算的计算公式如下 sum_Ox = X (1)+X (2)+...+X (i)+...+X (η)其中X(i)表示指令ID为i的标定测试点的余弦输出值，Sum_Ox为计算过程的中间变量；sum_Oy = Y(I) +Y (2) +…+Y (i) +... +Y (η)其中Y(i)表示指令ID为i的标定测试点的正弦输出值，Sum_Oy为计算过程的中间变量；sum_X_r = X(l)*cos(3 1)+X(2) *cos( β 2)+...+X(i) *cos ( β i)+...+X(n) *cos( β η) sum_X_i = X (I)^sin (β 1)+X(2) *sin( β 2)+...+X(i) *sin( β i)+...+X(n) *sin( β η) sum_Y_r = Y(I) *cos (β 1)+Y (2) *cos ( β 2) +... +Y (i) *cos ( β i) + …+Y (η) *cos ( β η) sum_Y_i = Y(I) *sin (β 1)+Y (2) *sin ( β 2) + …+Y (i) *sin ( β i) + …+Y (η) *sin ( β η) 上四式中χω、YG)、β ω表示指令ID为i的标定测试点的余弦值、正弦值、磁铁转动的角度；sum_T = T (1) +T (2) +—+Τ ⑴ +…+T (η)上式中T(i)表示指令ID为i的标定测试点的温度值，sum_T为中间变量； 磁感应芯片输出值中余弦的偏移量Ox由下式得到 Ox = sum_Ox/n磁感应芯片输出值中正弦的偏移量Oy由下式得到Oy = sum_Oy/n余弦的幅值Ax由下式得到
全文摘要
本发明涉及一种磁感应效应角度传感器的标定，属于测试测量传感器技术领域。该方法包括低温段标定过程和高温段标定过程的若干子标定过程，每一个子标定过程包括对第一个芯片的第一个标定测试点进行标定，标定系统控制器先控制电机向此标定测试点转动方向输入一个转动角度，标定系统发送转动到位指令，角度传感器检测到这个指令，进行相关的数据采集及处理，标定系统收到这个指令后，转动单位步长，依此循环，直到完成所有标定测试点的标定；该标定方法能够在角度传感器内部进行运算，通过标定能够大幅度提高磁感应效应角度传感器的角度测量精度，该算法适合于批量生产时磁感应效应角度传感器的快速准确标定。
文档编号G01B7/30GK102022974SQ20101053102
公开日2011年4月20日 申请日期2010年10月29日 优先权日2010年10月29日
发明者于良耀, 吴凯辉, 宋健, 李东兵, 李亮, 李红志, 汪春华, 王伟玮, 王治中, 王进丁 申请人:昌辉汽车电气系统(安徽)有限公司, 清华大学